大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁桥极限承载力分析.pdf
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1、第 1 2卷第 6期 2 0 1 5年 1 2月 铁道科学与 工程 学报 J o u r n a l o f Ra i lwa y Sc ie n c e a n d E n g i n e er i n g Vo l u me 1 2 Nu mb er 6 De c e mb er 2 0 1 5 大 悬臂展翅预应 力混凝土宽箱 梁桥极 限承 载力分析 余晓琳, 贾布裕 , 杨铮 , 颜全胜 ( 华南理工大学 土木与交通学院, 广 东 广州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要: 针对大悬臂展翅结构的极限承载能力问题, 以某大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁桥 为实际工程背景, 建立精细的 空间有限元
2、模型进行数值分析。考虑结构几何非线性和材料非线性, 研究偏心集中荷载、 对称集中荷载、 均布荷栽 3种工 况作用下, 结构的极限承载能力及裂缝的分布规律。结果表明, 对称加载形式的极限承载能力大于非对称加载形式的极限 承载能力; 非对称荷载作用下, 桥梁应力及裂缝分布也具有较大非对称性, 且悬臂板根部更加容易出现裂缝, 均布荷栽作用 下, 桥梁边跨应力状况劣于中跨。 关键词: 极限承载力; 大悬臂 ; 展翅箱梁; 非线性 ; 裂缝 中图分类号: U 4 4 8 2 1 5 文献标志码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 61 3 7 9 0 8 An
3、a l y s i s o f u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b o x g i r d e r b r i d g e wi t h l a r g e c a n t i l e v e r wi n g Y U X i a o l i n , J I A B u y u , Y A N G Z h e n g , Y A N Q u a n s h e n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r
4、 i n g a n d T r a n s p o r t a t i o n , S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0, C h i n a ) Abs t r a c t :To s t u d y t h e u l t i ma t e b e a rin g c a p a c i t y o f t he l a r g e c a n t i l e v e r s t r u c t u r e,a n a c c u r
5、a t e s p a c e fin i t e e l e me n t mo d e l wa s b u i l t f o r n ume ric a l a n a l y s i s wi t h t h e ba c k g r o un d o f a p r e s t r e s s e d c o nc r e t e b o x g i r d e r b rid g e wi t h l a r g ec a n t i l e v e vwi n gTa k i n g i n t o a c c o un t o f t he g e o me t r i c
6、n o n l i ne a r i t y a n d t h e ma t e ria l n o n l i n e a rit y, t h e s t r u c t u r e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y a n d t h e d i s t ri b u t i o n r e g u l a r i t y o f c r a c k s u n d e r t h r e e l o a d c a s e s ( e c c e n t ri c c o n c e n t r a t e d l o a d
7、, s y mm e t r i c a l c o n c e n t r a t e d l o a d a n d u n i f o r m d i s t r i b u t e d l o a d )w e r e a n a l y z e d I t i s c o n c l u d e d t h a t t h e s t ru c t u r e u l t i ma t e b e a rin g c a p a c i t y u n d e r t h e l o a d c a s e o f s y mme t r i c a l l o a d i s l
8、a r g e r t ha n t h a t u n de r t h e c a s e o f a s y mme t ric a l l o a d;t h e d i s t rib u t i o n s o f t h e s t r e s s a n d c r a c k s u nd e r t h e l o a d c a s e o f a s y mme t ric a l l o a d a r e a l s o a s y mme t ric a l a nd c r a c ks a r e mo r e l i k e l y t o a p p e
9、a r i n t h e r o o t o f t h e c a n t i l e v e r wi ng Th e s t r e s s c o n d i t i o n o f s i d e s p a n i s wo r s e t ha n mi d s p a n u n d e r u n i f o r ml y di s t rib u t e d l o a d Ke y wo r d s :u l t i ma t e b e a ri n g c a p a c i t y ;l a r g ec a n t i l e v e rwi n g ;b o
10、xg i r d e r ;n o n l i n e a r ;c r a c k 极限承载力的研究对于结构的设计 、 施工、 运营 均有重要意义 , 国内外学者均有较多研究, 如严圣 友 1 对 3 0 m部分预应力混凝土箱梁 的极限承载能 力进行了试验研究 , 得到结构极限承载力及裂缝分 布规律 ; 余波等 对左家堡大桥进行了破坏试验 , 将 i 贝 应力和裂缝分布与有限元计算结果进行对 比, 收稿 日期 : 2 0 1 51 01 1 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 0 8 2 0 8 ); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目( 2 0 1 4 Z Z
11、0 0 1 9 ) ; 广东省交通运输厅 科技 项 目( 科技 一 2 0 1 40 2一O 1 3 ) 通讯作者 : 贾 布裕 ( 1 9 8 3一) , 男 , 浙江义乌人 , 博士 , 从事大跨度桥梁结 构研究 ; Ema i l : c b y s c u t e d u c n 1 3 8 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 5年 1 2月 吻合较好; 叶见曙等 利用实体退化壳单元研究预 应力混凝土多 T梁桥的极限承载力; 潘家英 结合 分层有限单元法和 U L列式法对大跨度桥梁几何与 材料非线性进行耦合分析 , 并用跨度 8 0 0 m铁路悬 索桥方案极 限承载力分
12、析证 明; Mi l l e r等 对挪威 S m e s t u a桥进行破坏性试验 , 最终桥梁受剪破坏 , 试 验说明几何外形和边界条件对桥梁的受力性能有很 大影响; P a u l 等 利用足尺模型对 I 一 2 9 5公路桥梁 进行破坏性试验 , 结果表明该桥的极限承载能力大 于设计值 ; 王凌波等 对预应力混凝土箱梁桥开裂 后的残余承载力进行 了研究, 提出承载能力折减系 数计算方法来体现开裂后结构 的刚度变化【 ; 刘会 颖等 研究了主筋锈蚀对钢筋混凝土梁承载力的影 响, 得出随受力筋锈蚀率的增大, 其极限承载力降 低, 延性下降。大悬臂展翅宽箱梁桥由于其桥下空 间利用率高等优点
13、, 近来受到工程界的青睐, 但由于 其结构的空 间效应突出, 受力性能非常复杂 , 应用时间较短, 目前对其结构极限承载能力的研究 较少 , 若采用模型试验研究则需要耗费巨大的人力 物力 , 而且对于新建成的桥梁, 采用实桥进行破坏试 验更是不可能。鉴于 目前数值算法已经 比较成熟 , 利用大型有限元软件 , 合理设置材料的特性 , 能够取 得合理的计算结果。本文以某大悬臂展翅预应力混 凝土宽箱梁桥为工程背景 , 对大悬臂展翅结构开展 了极限承载力的研究。 1 工程背景 某桥( 44 2 m) 采用现浇 大悬臂展 翅预应力 混凝土连续箱梁结构 , 全幅桥设置双 向 6车道 , 标 准梁宽 3
14、3 5 m, 两侧悬臂为 7 1 7 4 m, 梁高 2 5 m, 梁顶宽 3 3 5 11 1 , 箱梁顶板厚 0 2 5 m, 底板宽 1 7 5 0 m, 底板厚 0 2 5 m, 利用纵向小纵梁来增强箱梁翼 缘的抗扭作用 , 小纵梁高 4 5 C m, 宽 8 0 c m, 挑梁 间 下缘弧形板采用椭 圆曲线 , 全联弧形板曲线线形一 致 , 板厚 0 2 m, 图 1 为该桥 1 2标准箱梁断面图。 单他:r m 图 1 1 2标准箱梁断面 图 Fi g 1 S e c t i o n o f 1 2 s t a n d a r d b o x g i r d e r 2 空间数值分
15、析 2 1 模型建立 以44 2 m联 为建模 对象, 利用有 限元软件 A N S Y S建立该桥的空间有限元模型 , 见图 2 , S O L I D 6 5 单元可以模拟混凝土中的加强钢筋以及材料 的拉裂和压溃现 象, 故选用 S O L I D 6 5单元模拟钢 筋混凝土材料 , 混凝土弹性模量为 E :3 5 5 MP a , 泊松 比为 0 2, 密度为 2 5 0 0 k g m , 混凝土立方体 抗压强度标准值为f c =5 5 MP a , 单轴抗压强度 为 =2 5 3 MP a , 单轴抗拉强度为 = =1 9 6 MP a , 闭合裂缝的剪力传递系数为 =0 9 5 ,
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